Нуклеофильные реакции карбонильных соединений

Реакции нуклеофильного присоединения и замещения карбонильных соединений играют важную роль в химии и биологии. В частности, к ним относятся реакции образования пептидных связей в условиях биосинтеза белка. Обычно эти реакции идут в водной среде. При этом растворитель играет роль резервуара, с которым происходит обмен протонами. Поэтому при подходе нуклеофильного реагента NuH к карбонильному соединению XCOY возможно образование интермедиатов с разным характером протонирования:

Наименее устойчивым является интермедиат Т^±. До настоящего времени его не удалось обнаружить экспериментально, и вывод о том, что он существует, сделан на основе косвенных данных. Для решения этого вопроса в работах [130, 131] рассчитан профиль потенциальной энергии для простейшей модельной реакции

NH₃ + Н₂СО ↔ H₃N⁺—СH₂—О ^-. (VI)

Расчеты проведены и неэмпирическими, и полуэмпирическими (рис. 2.5) методами. По данным неэмпирических расчетов бипо­лярный интермедиат в газовой фазе существовать не может. Полуэмпирический метод МПДП привел к такому же результату, при­чем профили потенциальной энергии, вычисленные неэмпирическим методом (в расширенных базисах) и методом МПДП, получились почти одинаковыми. Все остальные полуэмпирические методы (ППДП/2, ППДП/БУ, МЧПДП/2, МЧПДП/3) привели к противоположному результату. Данные неэмпирических расчетов являются более на­дежными, поэтому в работах [130, 131] был сделан вывод о том, что биполярный интермедиат в газовой фазе существовать не мо­жет и из полуэмпирических методов только метод МПДП дает пра­вильный результат.

Метод МПДП был использован для дальнейшего исследования профиля потенциальной энергии реакции (VI) в растворах. Соль­ватация моделировалась в приближении супермолекулы. Получен­ные результаты приведены на рис. 2.6. Видно, что включение в реакционную систему четырех молекул воды достаточно для по­явления локального минимума в случае биполярного интермедиата. Этот результат показывает, что в полярных растворителях биполярный интермедиат может существовать.

Рис. 2.5. Сечения ППЭ для реакции присое­динения аммиака к формальдегиду с образо­ванием биполярного интермедиата:

а - расчеты полуэмпирическими методами: 1 - МПДП; 2 - МЧПДП/2; 3 - МЧПДП/2;

4 -МЧПДП/3; 5 - ППДП/БУ; 6 - ППДП/2;

б - расчеты неэмпирическими методами: 1 - ОСТ-ЗГФ; 2 - 4-31ГФ; 3 - 6-31ГФ; 4 - 6-31ГФ*.

Рис. 2.4. Влияние гидратации на сечение ППЭ реакции присоединения аммиака к формальдеги­ду с образованием биполярного интермедиата:

1 — расчет для газовой фазы; 2 - 4 — гид­ратация моделировалась двумя (2), четырьмя (3) и шестью (4) молекулами воды.

Таким образом, неэмпирические методы были использованы [130, 131] для расчета термодинамических параметров простейшей мо­дельной системы и решения вопроса, какой из полуэмпирических методов правильно передает профиль потенциальной энергии. После того как было установлено, что метод МПДП дает правильные результаты, им были проведены вычисления для более сложной системы с несколькими молекулами воды. Такое сочетание полу­эмпирических и неэмпирических расчетов, с нашей точки зрения, является наиболее разумным.

При изучении механизмов многих органических реакций кванто-вохимическими методами необходимо учитывать взаимодействие реа­гентов и растворителей. Это утверждение в первую очередь отно­сится к ион-молекулярным реакциям. При решении прикладных задач мы часто имели дело с реакциями такого типа и на боль­шом числе примеров убедились, что результаты квантовохимических расчетов для газофазных моделей нельзя использовать для рассмотрения этих реакций в растворах, так как сольватация ка­чественно меняет вычисленный профиль потенциальной энергии.

Для учета сольватации в настоящее время наиболее широко применяются метод Монте-Карло с атом-атомными потенциалами, приближение супермолекулы и модель точечных диполей. Все эти методы качественно правильно передают изменение профиля потен­циальной энергии ион-молекулярных реакций при переходе из га­зовой фазы в раствор. Метод Монте-Карло дает, по-видимому, наиболее достоверные результаты, но его использование для вы­числения потенциальных профилей органических реакций в поляр­ных растворителях требует очень больших затрат машинного вре­мени и для реальных реакций практически невозможно.

Приближение супермолекулы используют для изучения влияния сольватации на реакционную способность органических соединений лишь в случае растворителей, молекулы которых содержат неболь­шое число атомов. Таким растворителем, в частности, является вода. Присоединение к реагентам нескольких молекул воды позво­ляет понять, как влияет полярный растворитель на профиль потен­циальной энергии органической реакции.

Модель точечных диполей также может быть использована для изучения влияния сольватационных эффектов на реакционную спо­собность органических соединений. Она дает менее точные резуль­таты, но вполне пригодна для изучения сольватационных эффектов на качественном уровне. Эта модель необычайно экономична, по­этому при решении большинства прикладных задач мы рекомен­дуем отдавать предпочтение именно ей. Более сложными моделями следует пользоваться лишь в исключительных случаях.

Глава 3